Estudio comparativo de los procesos de soldadura SMAW y GMAW en las uniones de tuberías de transporte de combustible Antonio Rivadeneyra Camino1 Ing. Omar Serrano2

RESUMEN

El sistema de transporte de combustible se realiza mediante sistemas de tuberías.

Las uniones de los tubos se realiza por medio de proceso de soldadura SMAW o

también llamado de electrodo revestido. Un proceso más rápido y que tiene mejor

rendimiento en sus materiales consumibles es el proceso de soldadura GMAW o

de electrodo desnudo con gas protector.

Se realiza un estudio comparativo en todos los aspectos, como dilución,

inspección visual, inspección radiográfica, ensayos y pruebas mecánicas. Se

determina cual de los procesos es más confiable para y el proceso menos

costoso.

INTRODUCCIÓN

El poco tiempo que se dispone para realizar mantenimiento y reparaciones en las

tuberías de transporte de combustible, hacen necesario la implementación y

comparación de otros procesos de soldaduras para realizar los mantenimientos

del sistema de poliductos.

El proceso de soldadura GMAW, es un proceso de soldar más rápido y menos

costoso además de tener un mejor rendimiento en sus materiales consumibles.

Los ensayos de tracción, doblado, inspección radiográfica, inspección visual,

prueba de dilución, determinarán los beneficios de los procesos de soldadura

SMAW y GMAW, estos resultados proporcionan cual de los procesos es el más

confiable.

CONTENIDO

Se realizaron las siguientes pruebas a los tubos soldados con los procesos SMAW

y GMAW:

Dilución

Inspección visual

Inspección radiográfica

Ensayo de tracción

Ensayo de doblado

Ensayo de dureza

Además de realizar un estudio económico para determinar cual de los procesos de

soldadura es el más conveniente en la aplicación de uniones de tuberías.

La dilución es una prueba que cuantifica la fusión del material base con relación a

la junta soldada, en forma de porcentaje, podemos mencionar además que la

dilución viene íntimamente ligado con los parámetros de soldadura, la soldabilidad

de la tubería, y las propiedades del metal se aporte.

En este estudio la junta se efectuó un bisel entonces la determinación de la

dilución viene dada por la siguiente ecuación: (Ref. 8).

DILUCIÓN = %100*CBA

BA++

+

En el grafico podemos determinar las áreas.

Tabla I. Designación de las muestras soldadas

Designación de la muestra

Tipo de proceso aplicado

Tipo de técnica

Voltaje (Voltios)

Corriente (Amperios)

T1 SMAW Vertical Descendente

24.74 118.50

T2 GMAW Vertical Ascendente

21.37 131.25

T2A GMAW Vertical Ascendente

19.75 125.26

T3 SMAW Vertical Descendente

82.5 121.00

T4 SMAW Vertical Descendente

30.86 113.60

T5 GMAW Vertical Descendente

19.86 133.50

T6 GMAW Vertical Ascendente

18.55 149.75

T7 GMAW Vertical Ascendente

15.44 150.84

T8 SMAW + GMAW Vertical Descendente

32.50 115.50

Tabla II. Resultados de la característica del cordón para todas las muestras

Inspección visual este procedimiento de ensayos puede rechazar cualquier cordón

de soldadura sin la necesidad de realizar otro ensayo no destructivo, los

parámetros de aceptación de la tubería soldada en la inspección visual son:

• La sobre monta o pase de cubierta no debe tener niveles inferiores al que

dado por el diámetro exterior del tubo. Ni tampoco niveles superiores a 1/16

de pulgadas del diámetro superior al tubo.

• Este cordón también solapa a los biseles de la junta en 1.5 mm por cada

lado, si existen cordones con menores o mayores proporciones de el ancho

establecido por la norma, este es criterio el cual puede ser empleado para

el rechazo de la tubería soldada.

• Existencias de mordeduras, poros, fisuras en la superficie del cordón que

se encuentran dentro de los rangos de 12.45 % del espesor del tubo.

No. de prueba

Dilución (%) Calor (Joule/mm)

ZAC (mm) Ancho del cordón (mm)

T1 63,20 708,50 2,39 13,48 T4 64,87 677,93 3,32 15,97 T3 70,69 2406,11 3,75 13,46 T2 55,76 690,33 1,72 11,98

T2A 56,18 779,35 2.76 11,67 T5 52,56 760,45 1,43 12,78 T6 58,92 938,24 1,94 11,30

A la tubería luego de haber realizado el proceso de soldadura, se procedió a la

limpieza con cepillos de discos trenzados y se empleo una lupa de 4X para la

inspección visual en todo el contorno del cordón.

Inspección radiográfica el procedimiento radiográfico se realizo a todos la uniones

soldadas bajo una técnica de doble pared con simple imagen, la película utilizada

es D7, y con un equipo de radiación SEIFERT de 300 kilovoltios.

Tabla III. Resultado de la inspección por radiografía

No. Del tubo Sección Tipo de defecto

Tipo de proceso

Aceptado o reparar

A-B ACEPTADO B-C ACEPTADO

T1

C-A F

SMAW

ACEPTADO A-B Aa ACEPTADO B-C Aa ACEPTADO

T2

C-A C

GMAW

REPARAR A-B Aa-C REPARAR B-C Aa REPARAR

T2A

C-A Aa-Ab

GMAW

REPARAR A-B F ACEPTADO B-C ACEPTADO

T3

C-A F

SMAW

ACEPTADO A-B ACEPTADO B-C F ACEPTADO

T4

C-A

SMAW

ACEPTADO A-B ACEPTADO B-C Aa ACEPTADO

T5

C-A Aa

GMAW

ACEPTADO A-B Aa REPARAR B-C Aa-Ab-C REPARAR

T6

C-A Aa-Ba

GMAW

REPARAR A-B Aa-Ab-C REPARAR B-C Aa-Ab-C REPARAR

T7

C-A C

GMAW

ACEPTADO A-B Aa SMAW ACEPTADO B-C Aa Y ACEPTADO

T8

C-A GMAW ACEPTADO Aa – porosidad Ab – burbujas tubulares Ba – Inclusiones de forma y orientación variada C – Falta de fusión F – Mordeduras o socavación

Ensayo de tracción, este tipo de ensayo se los realizo a las probetas donde se

obtuvieron los mejores resultados de la inspección visual, radiográfica y dilución.

Tabla IV. Resultados del ensayo de tracción en las probetas soldadas.

Ensayo de doblado, para las muestras soldadas por los dos procesos de

soldadura SMAW y GMAW.

Muestra Espesor Ancho Area carga Fuerza Esfuerzo σσσσ

Porcentaje Elongación

[plg] [plg] [plg2] máxima. (KN) max. [lbf]

máximo. [psi] (%)

T2-1 0,35 0,78 0,28 92,31 21242,20 76519,35 17,60% T2-2 0,35 0,78 0,27 94,49 20752,11 75551,23 23.90% T4-1 0,35 0,78 0,28 98,17 22069,50 79900,98 28,00% T4-2 0,35 0,78 0,27 98,17 22069,50 81716,91 26,00% T8-1 0,34 0,78 0,27 96,75 21750,27 80995,10 20,80% T8-2 0,34 0,78 0,27 93,21 20954,44 78031,56 24,40%

Realizando la prueba de doblado

Tabla V Resultados de la prueba de doblado.

No. del tubo ensayado Identificación de la probeta

Aceptación o rechazo

Raíz 1 ACEPTADO Raíz 2 ACEPTADO Cara 1 ACEPTADO

T2

Cara 2 RECHAZAR Raíz 1 ACEPTADO Raíz 2 ACEPTADO Cara 1 ACEPTADO

T4

Cara 2 ACEPTADO Raíz 1 ACEPTADO Raíz 2 ACEPTADO Cara 1 RECHAZAR

T8

Cara 2 ACEPTADO

ensayo de dureza

Tabla VI. Resultados del ensayo de dureza para la muestras soldadas con SMAW

Sección Dureza HRb MATERIAL BASE 85,51

ZAC 87,77 MATERIAL DE APORTE 89,71

ZAC 86,00 MATERIAL BASE 85,79

Tabla VII. Resultados del ensayo de dureza para la muestras soldadas con GMAW

Sección Dureza HRb MATERIAL BASE 84,72

ZAC 88,13 MATERIAL DE APORTE 93,00

ZAC 89,25 MATERIAL BASE 85,58

Se puede observar que las muestras soldadas con el proceso de soldadura

GMAW posee mayor dureza, esto se lo puede atribuir a que por ser pases de

soldaduras aplicados, se mantuvieron los niveles de dureza esperados.

Para el análisis económico de los procesos de soldadura hay que tomar en de

manera general cuenta los siguientes factores:

• Tiempo de preparación de la junta soldar

• Tiempo de ensamble

• Tiempo de punteo o armado

• Tiempo de posicionamiento

• Tiempo de soldadura

• Tiempo de parada, en donde se considera los tiempo del cambio del electrodo,

tiempo de movilización de estación, tiempo de cambio de los parámetros de

soldadura, etc.

• Tiempo gastado por la cuadrilla, se tomará en cuenta el tiempo en actividades

personales.

• Tiempo de limpieza

• Tiempo de desensamble

• Tiempo de alivio de tensiones

• Costo del electrodo

• Costo de los materiales protectores

• Costo de la potencia eléctrica

• Costo de los activos fijos (Overhead).

En algunos casos ciertos factores no son considerados en la ejecución de la

soldadura, porque no son necesarios en el proceso de soldadura.

Como se puede observar en el listado de los factores que intervienen en este

análisis existen muchos factores que se encuentran relacionados con el tiempo, y

no son necesariamente tiempo de arco, ya que se tiene el tiempo de cambio de

cambio de electrodo, pulir, remover escoria, etc. El tiempo total de horas de

trabajo siempre es mayor que el tiempo de suelda, entonces la relación entre el

tiempo de arco(Tu) y tiempo de parada (Td), se denomina factor de operación

(OF) y viene dado por la siguiente formula:

OF = TdTu

Tu+

(Ref. 4)

El resultado viene expresado de forma porcentual.

La ecuación que determina el costo total en los procesos de soldadura es la

siguiente:

WFMOTotalCosto ++= (Ref. 4)

Donde MO es un factor determinado por la compañía en la cual se considera los

costos de la mano de obra y los equipos a utilizarse. F es el valor de los

consumibles que serán empleados en el proceso de soldadura. W es el costo de la

potencia eléctrica empleado en el proceso de soldar.

Formula para establecer el factor MO. (Ref. 4)

OFsoldeodeVelocidadequiposyobrademanodeacsoldaduradepiesdeTotalMO

*arg*=

Para obtener el factor F donde se toman en cuenta todos los consumibles vienen

este factor viene dado por la ecuación.(Ref. 4).

proteccióndeprecioelectrododelibrasdeTotalelectrododelibraporproteccióndeConsumoelectrododeecio

soldaduradepiedeTotalsoldaduradepieporelectrododeConsumoF

***Pr*

**+

=

Para los procesos SMAW y FCAW el análisis de costo de los productos de

protección no es considerado, ya que en los precios del electrodo se toma en

cuenta el fundente, en el consumo de electrodo por pie de soldadura hay que

considerar la eficiencia del deposito del material de soldadura, la eficiencia el

deposito nos indica, las libras de material depositado por cada libra de electrodo,

para el proceso de electrodo revestido la eficiencia del deposito es de

aproximadamente del 60% al 70%, en cambio para el proceso de electrodo

desnudo con gas protector la eficiencia del deposito es del 100%.

La potencia se la puede calcular de forma que el tiempo de encendido de la

maquina por la potencia de consumo del equipo por el precio de la potencia y el

tiempo del equipo encendido. Pero una buena forma de tener el valor de la

potencia es de 0.03 $/lb.

Total de los costos del proceso de soldadura para el proceso SMAW en una

junta de tubería soldada

Costos totales = 0.41 + 3.32 + 0.054 = $ 3,78

Total de los costos del proceso de soldadura para el proceso GMAW en una

junta de tubería soldada

Costos totales = 0.49 + 1.445 + 0.021 = $ 1.96

De esta forma podemos observar que el proceso de soldar GMAW es más

económico que el proceso SMAW. Aunque los equipos de soldar y la mano de

obra sea más costosa, estos parámetros influyen muy poco en el análisis de

costos total.

CONCLUSIONES

El proceso de soldadura GMAW es más rápido que el proceso SMAW

proporcionando mayor cantidad de material depositado en la junta soldada, por lo

que el tiempo de ejecución de las juntas fue menor que con el proceso de

soldadura por electrodo revestido.

El proceso de soldadura GMAW no es aconsejable aplicarlo en zonas donde las

condiciones ambientales son adversas, tales como alta velocidad del viento,

temperatura ambiente baja, o zonas lluviosas. En estas condiciones, es mejor

soldar con el proceso SMAW.

Se puede concluir que el proceso SMAW tiene mayor confiabilidad que el proceso

GMAW en la soldadura de tuberías, ya que en los ensayos de radiografía y

doblado las muestras correspondientes no presentaron ningún tipo de fallas. Esto

se puede atribuir a la buena dilución que se obtuvo en las probetas donde se

aplicó el proceso SMAW.

Como se muestra en la parte final de este trabajo el proceso de soldadura GMAW

es un 52% más económico que el proceso de soldadura SMAW, ya que los costos

de los materiales consumibles y su bajo rendimiento de los mismos elevan los

costos generales para el proceso de soldadura SMAW.

REFERENCIAS

1. AWS. Manual de soldadura, Tomo I, México 8va Edición pp. 44,45

2. ASM. Metal Handbook, Volumen 6, 9na Edición pp. 79,81,126

3. HORWITZ H. Enciclopedia de la soldadura, Tomo I. Ediciones PC pp. 49-50

4. LINCOLN ELECTRIC. Procedure Handbook Of Arc Welding. Edición

Especial pp. 4.1-2, 13.3-3

5. MILLER ELECTRIC. Gas Metal Arc Welding, 1era Edición pp. 3, 8.

6. HOBART. MANUAL SERVICE 1era Edición. Mi 250, pp. 1

7. API 1104. Standard for Welding Pipelines And Related Facilities. 1980.

15ava Edición

8. Apuntes personales de Soldadura. 1996

9. DURAN MARCELA. Soldabilidad del acero ASTM A36 con el acero AISI

304 mediante el proceso de arco sumergido (Tesis Facultad de Ingeniería

Mecánica y Ciencias de la Producción. ESPOL).1998

10. ASTM A370. Standard Methods And Definitions For Mechanical Testing Of

Steel Products. 1967 pp 327.

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Sr. Ing. Omar Serrano V. Sr. Antonio Rivadeneyra